Il misterioso caso della corrente di dispersione casuale

Disclaimer: Conosco già la soluzione di questo enigma di debug del circuito (e non è banale), e lo posterò dopo qualche tempo, in modo che altre persone possano dare il loro contributo a questa storia misteriosa! Penso che possa avere un valore educativo per i progettisti di circuiti!

Alcuni anni fa (~ 8, IIRC) mi sono imbattuto in un'offerta speciale molto interessante in un grande magazzino locale: alcuni apparecchi a LED Osram DOT-IT molto belli (così pensavo) a metà prezzo.

Come puoi vedere, erano piccoli elettrodomestici, alimentati da tre batterie AAA, che racchiudevano tre LED bianchi molto luminosi. Il tutto è stato acceso attraverso un interruttore morbido azionato premendo la cupola trasparente. Alla prima pressione i tre LED si accendono e ad ogni pressione successiva uno dei LED si spegne. Quindi potresti avere la possibilità di scegliere la quantità di luce che l'apparecchio produrrebbe. La custodia esterna, oltre alla cupola in plastica trasparente, era in alluminio anodizzato molto resistente, con il coperchio posteriore in plastica con un potente magnete, che permetteva di attaccare la cosa al frigorifero, alla carrozzeria o a qualsiasi superficie metallica adatta che potreste desiderare.

Poiché all'epoca l'illuminazione a LED era molto costosa qui in Italia e piccoli gadget come quelli erano mostruosamente costosi o totalmente scadenti, ho pensato che fosse una buona idea comprarne una dozzina (ho provato prima con una sola unità, e io verificato ha reso la luce molto forte ed era di altissima qualità). Avevo intenzione di usarli come luci di emergenza in ogni stanza della mia casa e nella mia macchina.

Tutto è andato bene fino a quando non si è verificato un breve blackout dopo circa 6 mesi. Con mia grande delusione, circa 10 su 12 delle cose avevano le batterie scariche!

Ovviamente il mio primo pensiero è stato "interruttore soft che perde" e ho corso per il mio micrometro! In effetti ho trovato un paio di unità che avevano correnti di dispersione eccessivamente elevate (~ 1 mA), ma le altre avevano un ~ 20 μA abbastanza onesto. Ero perplesso.

Ho sostituito tutte le batterie in quelle a bassa perdita e ho deciso di provarle di nuovo.

Dopo un paio di mesi, sorpresa, hanno fallito di nuovo! Ho misurato di nuovo la perdita e ho ottenuto risultati diversi. Alcune unità mostravano la terribile perdita di ~ 1 mA, mentre altre erano "normali". Inoltre, ho testato nuovamente le due unità che originariamente mostravano perdite elevate e ... non hanno più perdite !!!

Ero stufo e dato che non avevo più tempo da perdere sulla questione allora, li ho scartati tutti, li ho messi in una scatola spazzatura (dopotutto, avevano tre LED bianchi carini e costosi in loro, e ho programmato di salvarli) e si sono dimenticati di loro.

Li ho ritrovati un paio di settimane fa e, in una frenesia di riorganizzazione, ho pensato di smantellare le unità e salvare i LED. Così ho scoperto che i circuiti interni erano un piccolo PCB che conteneva solo un interruttore momentaneo, i LED, un chip driver e un cappuccio. Il PCB è mostrato nelle foto sottostanti (per curiosità ho provato a trovare un foglio dati per quel chip driver, ma senza fortuna).

Ho testato nuovamente i PCB, solo per divertimento, e ho ancora ottenuto il comportamento irregolare di perdita che avevo osservato prima, ma nel processo ho finalmente scoperto il colpevole.

Indovina qual è stata la causa di quella perdita casuale ed irregolare!

Ho il sospetto che qualcosa abbia a che fare con il potente magnete (non l'avrei sospettato, tranne per il fatto che deve essere una risposta interessante o non avresti posto la domanda). Forse avere il campo magnetico induce una corrente in un circuito da qualche parte. La perdita era maggiore quando c'era più spazio tra i fili che si collegavano alla batteria? O potrebbe essere una corrente in qualche altro ciclo.

Ecco il riassunto delle mie indagini e le mie scoperte sul misterioso caso della corrente di dispersione casuale.

Quando ho iniziato a smantellare le unità, mi sono anche incuriosito e ho voluto ricercare una causa razionale per quel comportamento strano. Non ho avuto fortuna fino a quando ho quasi involontariamente spostato il magnete vicino a un PCB acceso. L'amperometro è saltato a circa 2 mA e si è stabilizzato a un valore leggermente inferiore.

All'inizio ho pensato che fosse solo un effetto meccanico dovuto alla mia gestione del PCB, ma dopo ripetuti test ho verificato che c'era una chiara correlazione tra lo spostamento del magnete vicino al PCB e il tipo di "aggancio".

Non era un fuoco sicuro, tuttavia, perché dipendeva in modo poco chiaro dall'orientamento del magnete e dalla direzione del movimento e anche dalla velocità con cui muovevo il magnete.

Non sono riuscito a valutare il vero meccanismo, ma la causa era chiara. L'interazione del PCB (e molto probabilmente del chip driver) con il magnete mobile.

Ho anche verificato che il latch-up potrebbe verificarsi quando si sposta un'unità assemblata vicino a un corpo ferromagnetico massiccio, come quando si collega l'unità a un frigorifero. Ma il fenomeno in questo caso era meno ripetibile e più irregolare.

Le opzioni che mi sono venute in mente erano ovviamente due:

• corrente indotta generata dalla variazione del flusso magnetico collegata con qualche anello
• Effetto Hall che disturba il normale comportamento di alcuni componenti a semiconduttore all'interno del chip del driver

Non posso dire con certezza quale sia il vero colpevole tra quei due. Lascio la decisione finale agli esperti di EE.SE che sono più informati di me su tali argomenti.

Non posso esserne sicuro, ma sospetto che chiunque fosse incaricato di testare il prototipo non avesse eseguito test adeguati quando il magnete era in posizione. In effetti il ​​magnete non era incorporato nella cover posteriore delle unità, ma era fornito come componente aggiuntivo nella confezione. Hai avuto la possibilità di attaccarlo al coperchio posteriore poiché un lato del magnete era adesivo.

Spero che ti sia piaciuto questo piccolo rompicapo, vagamente ispirato ai romanzi di Sir Arthur Conan-Doyle.

Questo tipo di sintomo odora di resistore di pulldown mancante (o pullup, a seconda della topologia) su un gate FET. Tutto va bene se il sistema si accende senza che il transitorio di avvio attivi il FET. Se questo ha successo, va tutto bene. In caso contrario, il sistema si blocca in uno stato strano che riesce a trarre corrente.

Ho notato che questa è una tavola a un lato. Ciò significa che i conduttori a foro passante sono tenuti solo dal menisco a saldare su un lato della tavola, non all'interno del foro placcato e su entrambi i lati come su una tavola a due strati. Dopo sufficienti sollecitazioni meccaniche o cicli termici, tali giunti di saldatura possono sfaldarsi. Questo può essere molto difficile da vedere, anche con la lente di ingrandimento di un gioielliere. Personalmente ho visto una scheda del genere fallire in modi apparentemente casuali e l'ispezione visiva non ha rivelato il problema, anche se cercavo giunti di saldatura difettosi. Il reflow di ogni giunto e l'aggiunta di ulteriore saldatura hanno risolto il problema.

Un'altra causa di tali sintomi è che il pulsante è sempre premuto. Tuttavia, sto immaginando che non sia così perché le luci non avrebbero funzionato in primo luogo. Questo tipo di pulsante ha un clic positivo. L'unico modo in cui questo problema potrebbe verificarsi nelle tue circostanze è se il pulsante ha funzionato correttamente per i primi tre clic, quindi si è bloccato con il clic che ha spento la luce. È improbabile che così tante unità funzionino bene per tre clic, quindi rimarranno bloccate in avanti, quindi non sto pensando che questo sia il problema.

Riesco a pensare a scenari in cui un circuito mal progettato può bloccarsi in uno stato indesiderato con l'alimentatore che brilla e rimbalza mentre le batterie sono installate, possibilmente a seconda che il pulsante sia stato premuto o meno in quel momento. Tuttavia, tutti questi scenari lascerebbero l'unità ovviamente inoperante immediatamente. Suppongo che tu abbia testato ogni unità attraverso almeno un ciclo di ON-OFF prima di dichiararlo pronto e incollarlo su una parete o altro.